Al-N共掺杂ZnO薄膜的制备及其光电性质的研究

发布时间：2020-09-24 18:10

　　 氧化锌是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,室温下氧化锌的禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60 me V,远高于室温离化能(26 me V),使得其可以在室温或者更高温度下实现激子发光。氧化锌要实现在光电器件领域的广泛应用,首先要解决高质量的n型和p型材料的制备问题。一般情况下,非掺杂氧化锌表现为n-型。这是由于在氧化锌材料制备过程中,施主型本征缺陷容易形成。目前高质量的n-型氧化锌已经实现。但是由于存在自补偿效应和受主形成能高的原因,其p型掺杂还存在很多问题。能否解决ZnO材料的p型掺杂难题,将直接关系到能否实现高性能ZnO基材料光电器件的应用。在氧化锌的p型掺杂中,已有研究人员利用单受主元素掺杂的方法实现了p型氧化锌,但是出现了受主离化能高和受主溶解度低的缺点。之后有研究人员提出利用施主受主共掺杂的方法,此方法可以利用施主和受主之间的强吸引力提高受主掺杂浓度,降低受主离化能,有效实现p型掺杂。本文主要研究Al-N共掺对氧化锌性质的影响,并通过退火实验获得了p型ZnO。本文比较了热氧化法制备N掺杂和Al-N共掺杂ZnO的性质。实验中先制备了Zn2N2和Zn3N2:Al薄膜作为前驱体,在氧气氛中对其进行不同温度的热处理。结果表明Zn3N2向ZnO的转变温度低于Zn3N2:Al,而Zn3N2:Al热氧化后结晶质量最好。Zn3N2:Al经过热处理后具有(002)的择优取向,而Zn3N2经过热氧化后呈现出多相结构。掺杂样品都表现出明显的紫外吸收,但Al-N共掺杂薄膜在800℃和900℃仍存在明显的激子吸收峰,明显优于N掺杂ZnO薄膜,表明Al的引入可以明显提高掺杂ZnO薄膜的热稳定性。Zn3N2经过热氧化后并没有发现p型转变,而Zn3N2:Al薄膜经过热氧化后在600℃及以上实现了p型导电的转变。为了得到高质量的掺杂ZnO,本文选择ZnO和AlN陶瓷靶,研究了磁控双靶共溅射制备过程中沉积温度和溅射气氛中N2分压对Al-N共掺杂ZnO薄膜的性质影响。结果表明,所有共掺杂ZnO薄膜都呈单一(002)取向的多晶薄膜。随着沉积温度的升高,薄膜的(002)峰峰位由34.170°增大到34.214°,衍射峰半高宽由0.452°减小到0.411°。电学测试结果显示载流子浓度由1.582×1017 cm-3升高到4.188×1018 cm-3。薄膜在可见光区显示出较高的透过率,所有共掺杂薄膜呈n型导电。与纯Ar溅射相比,溅射气氛中通入N2后制备的共掺杂ZnO薄膜载流子浓度有明显的降低。为激活受主元素,减少施主杂质浓度,对不同N分压所得样品进行了不同温度的热处理,在700℃得到了p型ZnO。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ132.41;TB383.2
【部分图文】：

图 1-2 富 Zn 和富 O 条件下 ZnO 中各点缺陷的形成能[8]族元素掺杂元素主要是 Li、Na、K。Ⅰ族元素原子最外层只有一个电子，入 ZnO 后替代 Zn的位置形成受主[44]。表 1-2 为Ⅰ族元素原子表 1-2 Ⅰ族元素掺入 ZnO 后原子的化合价和离子半径原素 化合价 离子半径(Zn +2 0.60Li +1 0.59Na +1 0.97K +1 1.33研究者利用理论方法分析了ⅠA 族元素的掺杂[9,10]，并制备计算结果表明掺入 Li、Na、K 后可以在氧化锌中形成较浅的受

在单受主掺杂方面，研究人员研究的最多的是Ⅴ族(P)、砷(As)元素。Ⅴ族元素最外层有 5 个电子，理论位，形成受主能级，从价带得到一个电子形成 p 型掺理论计算得到的Ⅴ族元素掺杂到氧化锌后的体系参数 Ⅴ族元素掺杂 ZnO 形成受主时的键长、受主能级位置和形成键长( ) 受主能级(eV) 形成能1.88 0.40 0.2.18 0.93 0.2.23 1.15 0.以看出，在Ⅴ族元素中，N 形成的受主能级最浅，实验位于价带顶 100~300 meV 处，P 和 As 会形成深能级缺素为 p 型氧化锌掺杂中最有效的受主元素。图 1-3 为

图 1-4 N 掺杂形成的不同缺陷示意图96 年，Sato 等人[12]就尝试过利用 N2作为掺杂源制备 p 型。以后在大量的尝试中发现，N 在氧化锌中的溶解度较低代 O 的格位才能形成受主缺陷，而在实验中发现，利用成(N2)O充当施主型缺陷，对受主型缺陷进行补偿。为解决了利用离子注入的方法来进行掺杂。Lin等人[13]利用离子化锌。除了离子注入方法外，研究中发现还可以在掺杂过或利用外界能量使 N2裂解，从而将 N 元素掺杂进去。目用的氮源主要有氮气(N2)、氨气(NH3)、氮氧化物(NO、N2]利用分子束外延技术，将 N2转变成 N 等离子体，成功制inegishi 等人[15]利用NH3作为掺杂源得到了较低空穴浓度 NH3作为掺杂源的过程中，由于 H 离子半径较小，容易充当浅施主缺陷，导致得到的 p 型氧化锌空穴浓度偏低。计算得出 NO 和 N2O 等作为掺杂源能更有效地实现氧化锌有强氧化性，使用其做掺杂源可以增加 ZnO 中的氧含量，

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本文编号：2826082